淺析變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機、泵類中的節(jié)能應(yīng)用

張雪蓮

（山西鋁廠設(shè)計院，山西 運城 043304）

1 變頻器的作用

在實現(xiàn)電機（一般是交流電機）控制中常用到的工業(yè)設(shè)備是變頻器，是通過改變電機電源輸出的頻率進行控制。為了更好地控制整個電機的運行，就要通過變頻器來實現(xiàn)被控交流電機的變頻調(diào)速、過載保護、過電流過電壓保護，同時變頻器也調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的工作效率和電能的綜合利用率。

2 變頻器的種類

2.1 按照開關(guān)方式分類

按照開關(guān)方式，變頻器可分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器、SPWM控制變頻器和SVPWM控制變頻器。PAM控制是脈沖幅度調(diào)制，通過改變脈沖列脈沖的幅度，調(diào)節(jié)輸出量值和波形，實現(xiàn)變頻功能。PWM控制是一種脈沖寬度調(diào)制，通過改變脈沖列的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出量和波形，進而實現(xiàn)變頻功能。在PWM的基礎(chǔ)上改變調(diào)制脈沖的方式叫做SPWM控制，按正弦規(guī)率排列的脈沖寬度為了做到正弦波輸出就需要輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波，在支流交流逆變器中常常得到應(yīng)用。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，廣泛應(yīng)用于變頻器領(lǐng)域?？臻g矢量脈寬調(diào)制叫做SVPWM控制，它作為PWM技術(shù)調(diào)制的方法，在電機三相定子繞組中時介入PWM波，促使定子產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，進而帶動電機旋轉(zhuǎn)。

2.2 按照直流電源性質(zhì)分類

按照直流電源性質(zhì)，變頻器分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。電流型變頻器儲能元件為電抗器，動態(tài)響應(yīng)快，可直接實現(xiàn)回饋制動，感應(yīng)電動機電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)可以頻繁、快速地實現(xiàn)四象限運行，更適宜一臺逆變器對一臺電機供電的單機運行方式。電壓型變頻器是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電壓型變頻器儲能元件為電容器，被控量為電壓，動態(tài)響應(yīng)較慢，制動時需在電源側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器才能實現(xiàn)能量回饋，可適應(yīng)多電機拖動。

2.3 按照工作原理分類

按照工作原理，變頻器可分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。V/f控制變頻器可保證輸出電壓與頻率成正相關(guān)，這樣電動機的磁通就可以實現(xiàn)同步一致，避免發(fā)生磁飽和、弱磁和等現(xiàn)象。改變異步電動機的滑差進行調(diào)速就叫做轉(zhuǎn)差調(diào)速，如果速度慢，那么滑差就要求大，通過采用轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)，在一定程度上能夠改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。直流電動機調(diào)速控制是矢量控制變頻器的特點，按矢量變換的方法將異步電動機定子繞組電流分解，形成直流電動機的轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場電流分量，異步電動機定子繞組電流的大小和相位得到控制后，就能夠控制轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，像控制直流電動機一樣控制交流異步電動機的轉(zhuǎn)速，能夠達到很好的調(diào)速控制效果。

3 風(fēng)機、泵類變頻節(jié)能的工作原理

3.1 軟啟動節(jié)能

由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為4～7倍的額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，若對電網(wǎng)供電容量要求過高，啟動時損害性就會很大，如產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害，會使設(shè)備、管路的使用壽命大大縮短。在應(yīng)用變頻節(jié)能裝置后，變頻器的軟啟動功能使啟動電流從0開始，這樣一來最大值也不會超過額定電流，從而減輕了對電網(wǎng)的沖擊以及對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，大大節(jié)省了設(shè)備的維護費用。

3.2 變頻節(jié)能

由流體力學(xué)可知，P=Q×H，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降，即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。

3.3 功率因數(shù)補償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，而且會使功率因數(shù)降低，導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率降低。大量的無功電能消耗在線路當中，會造成設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重。由公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ（S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率，cosφ為功率因數(shù)）可知，cosφ越大，有功功率P越大。普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6～0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cosφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

4 變頻調(diào)速與風(fēng)機、水泵節(jié)能

4.1 風(fēng)機、水泵調(diào)節(jié)流量的方法

風(fēng)機、水泵調(diào)節(jié)流量的方法有很多種，也都有各自的特點，主要有3種：（1）交流電動機變頻調(diào)速。（2）采用液力耦合器或電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速，但是在這種情況下電動機是恒速運轉(zhuǎn)的。（3）利用傳統(tǒng)的機械方法來調(diào)節(jié)風(fēng)機的擋板，調(diào)節(jié)導(dǎo)流器及水泵的閥門開啟度。由于在節(jié)電率百分比相同的情況下裝機容量越大，其絕對節(jié)電量也越大，所以現(xiàn)如今更應(yīng)該推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速節(jié)能，將變頻調(diào)速應(yīng)用在大容量高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機、水泵和壓縮機上。

4.2 變頻調(diào)速在風(fēng)機、水泵節(jié)能中的應(yīng)用

以流體理論為出發(fā)點，離心式風(fēng)機、水泵的軸功率和轉(zhuǎn)速可以用三次方函數(shù)表示。如果降低轉(zhuǎn)速，則消耗功率也會下降很多，假如把轉(zhuǎn)速降為50%，那么軸機械功率就降低到12%。經(jīng)研究，調(diào)速方案的效率相差很大，滑差后液力調(diào)速的效率也不會高，當轉(zhuǎn)速降到50%時，變頻調(diào)速器效率較高，這樣就可以達到近似不變的效果。所以在這么多的調(diào)速方案中節(jié)能效益最佳的是變頻調(diào)速?，F(xiàn)舉一例，對同一臺風(fēng)機、水泵，轉(zhuǎn)速流量為100%時，軸功率也為100%；轉(zhuǎn)速流量降到50%時，則軸功率也降為50%。如果采用擋板方法，閥門控制流量在50%時，依然需要從電網(wǎng)吸入75%左右的功率；如果利用滑差低效調(diào)速到50%時，則只需從電網(wǎng)吸入約25%的功率；但是如果采用變頻高效調(diào)速流量到50%時，則僅僅需從電網(wǎng)吸入10%的功率。經(jīng)過比較，變頻調(diào)速的優(yōu)勢顯而易見。

4.3 風(fēng)機、水泵通過變頻調(diào)速節(jié)能的效益

目前我國的電動機總裝機容量很高，幾乎達到4.54億kW，電動機的運行大概消耗全國總發(fā)電量的65%，所以有效實現(xiàn)電機節(jié)電成為當前的目標。一般電機節(jié)約能源主要有2個途徑：一是提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機的運行更節(jié)能；一是提高電機本身的效率，以達到長期高效的運行。在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中，生產(chǎn)量大、應(yīng)用面積廣的電機驅(qū)動設(shè)備主要是風(fēng)機、水泵和壓縮機，總電機容量高達1.5億，這些機器消耗的電量基本上占全國發(fā)電總量的35%，這其中約25%的風(fēng)機、水泵需要調(diào)速。

5 變頻調(diào)速與環(huán)境保護

電機驅(qū)動在電能消耗中占很大比例，電力消耗的過量造成了燃煤、石油、天然氣等燃料的枯竭，與此同時二氧化碳和二氧化氮的無節(jié)制排放造成的環(huán)境污染，破壞了大氣臭氧層，影響人類的生活甚至生存。人類由于對生存環(huán)境的嚴重破壞和對能源資源的過度浪費，已遭受到慘痛的教訓(xùn)，于是全世界人民共同呼喚保護人類生存環(huán)境。目前，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)得到大力推廣，節(jié)電率可達到25%左右，不用煤炭不燒油，牽引變頻機車應(yīng)用，減少了污染的排放。

6 結(jié)語

通過變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)機、泵類等設(shè)備節(jié)能運行，受到國家政府的普遍重視。實踐證明，變頻器用于風(fēng)機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。變頻調(diào)速技術(shù)既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且大大減少了設(shè)備維護、維修費用，縮短了停產(chǎn)周期。變頻調(diào)速技術(shù)越來越受到國內(nèi)外工程的關(guān)注，將在我國的經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮更好的作用。

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